“雪花玻璃球效應”物理機制解密

　　冷庫內一塊冰上的泡泡結冰的過程。圖片來源：《自然》網站

　　英國《自然·通訊》雜志19日發表的一篇物理學論文，揭示了肥皂泡是如何凍結成漂亮的冰晶球的，這一此前未曾揭示過的物理機制，告訴了人們“雪花玻璃球效應”(snow-globe effect）是如何產生的。

　　肥皂泡在特定條件下凍結時，可以觀察到內部有大量不斷生長的冰晶在盤旋，讓人不禁聯想到雪花玻璃球——即在空心的玻璃球或有底玻璃罩中固定住一些飾品以及“雪花”的擺設。然而在此之前，未有研究調查過這種現象背后的物理機制以及肥皂泡是如何凍結的。

　　此次，美國弗吉尼亞理工學院研究人員喬納森·波利科及其同事研究了主導肥皂泡凍結的熱傳遞過程。他們在不同環境溫度下，將肥皂泡置于冰冷的表面，并記錄下了凍結過程。他們觀察到了兩種不同的凍結機制，具體視溫度而定。

　　當周圍溫度與肥皂泡溫度一樣時，凍結從肥皂泡底部開始，并會產生“馬拉高尼流”（液體從表面張力低的地方流向表面張力高的地方），導致冰晶脫離凍結界面，并在肥皂泡周圍旋轉，就像雪花玻璃球里面的雪花一樣。之后，隨著冰晶不斷生長和并合，肥皂泡完全凍結。但是，當周圍溫度為室溫時，凍結界面會緩慢向上擴展，最終在肥皂泡中間位置停止——因為傳導不良。這樣半凍結的肥皂泡先會保持均衡狀態，直到最后液體圓頂坍塌。

　　研究人員指出，這項發現有助于物理學家更好地理解熱傳遞現象。